基于聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器及其制備方法，屬于功能材料與傳感器領域。
【背景技術】
[0002]當前環境污染越來越嚴重，特別是霧霾導致的空氣污染對人類健康與經濟活動都帶來了極大的危害。對于空氣質量的檢測與治理越來越受到人們的重視。氣敏傳感器是專門檢測空氣中氣體種類與含量的器件，其核心為高質量的氣敏材料。在氣敏材料中，主要是半導體無機金屬氧化物材料和有機導電聚合物兩大類。金屬氧化物多為具有寬能帶的η型半導體材料，作為氣敏材料時，具有高的響應靈敏度，良好的重復性，但一般要在高溫條件下才能檢測氣體。有機導電聚合物氣敏材料因其原料易得、制備工藝簡單、獨特的摻雜機理，可在室溫下檢測氣體，但有機聚合物的長期穩定性較差，響應靈敏度低等缺陷也限制了其實際應用。
[0003]隨著材料合成技術的不斷進步，原子層沉積法、熱蒸發技術、電化學合成法、溶膠-凝膠法、自組裝法、化學蒸汽沉積法等各種各樣的方法用來制備有機導電聚合物/無機納米復合氣敏材料。納米復合氣敏材料獨特的納米結構有利于氣體吸附，加速氣敏傳感器的響應，有機導電聚合物與無機納米金屬氧化物半導體之間的相互作用改善了傳感器的性能。在這些合成方法中，多采用在無機納米粒子存在的條件下引發導電聚合物的單體聚合，從而制備有機導電聚合物/無機納米復合材料。這些制備方法較為繁雜，有機導電聚合物與無機納米金屬氧化物半導體的分散均勻性難以控制，而且都是先制備納米復合材料，再構建器件，使得有機/無機納米復合氣敏材料與傳感器的基底之間接觸不均勻，在基底表面的分散性難以操控，最終導致氣敏傳感器性能受到很大影響。因此，研開高性能、低成本、小尺寸的氣敏材料，研發具有高靈敏度又有室溫響應特性的氣敏傳感器顯得尤為重要。
【發明內容】
[0004]本發明為克服上述的不足之處，提供了一種具有高靈敏度又有室溫響應特性的基于聚苯胺/ 二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器及其制備方法。
[0005]本發明解決上述技術問題采取以下的技術方案:基于聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器，其特征在于:包括基底、叉指型微電極和氣敏材料，所述的基底是陶瓷、玻璃、硅片、聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚四氟乙烯，在所述的基底表面沉積有叉指型微電極，叉指型微電極上連接有引線，氣敏材料是聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維，沉積在表面有叉指型微電極的基底上。
[0006]按上述方案，所述的基底表面沉積的叉指型微電極對數為5?20對，叉指微電極寬度為5?200μηι，叉指微電極間隙為5?200μηι。
[0007]按上述方案，所述的聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維是通過靜電紡絲與低溫水熱法結合而制備的，聚苯胺/ 二氧化鈦復合納米纖維氣敏材料的厚度為60?500nm。
[0008]所述基于聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009]I)將0.1-0.5g本征態聚苯胺，0.1-0.4g摻雜酸、0.1-0.5g聚苯乙烯溶于30mL三氯甲烷或二甲基甲酰胺中，得到溶液A;
[0010]2)將0.l-0.5mL鈦酸丁酯分散在5mL乙醇中，得到溶液B;
[0011]3)將溶液A與溶液B攪拌混合均勻后，裝入紡絲裝置中，紡絲工作距離為8-20cm，開啟高壓電源，調節紡絲電壓為5_20kV，接收時間為l-30min，將紡絲液通過靜電紡絲的方法在接收基底表面沉積復合納米纖維；
[0012]4)將步驟3)所制得的沉積有復合納米纖維的基底通過低溫水熱處理，得到基于聚苯胺/ 二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器。
[0013]按上述方案，所述的摻雜酸為樟腦磺酸、十二烷基苯磺酸或對甲苯磺酸。
[0014]按上述方案，所述的低溫水熱處理溫度為100_150°C，低溫水熱處理時間為6-18小時。
[0015]與現有技術相比，本發明具有如下突出效果:
[0016]I)本發明公開了一種可以在剛性基底或者柔性基底上構建氣敏傳感器的制備方法，該方法簡單，無需復雜設備，反應溫度較低，有利于柔性氣敏傳感器的開發和應用，適合于大規模生產。
[0017]2)本發明的制備方法是在基底表面的叉指型微電極上直接得到納米復合氣敏材料，無需進行分散與再次轉移，實現聚苯胺/二氧化鈦復合納米纖維與微電極的直接接觸，有效提高器件的響應靈敏性與穩定性。
[0018]3)本發明的氣敏材料是聚苯胺/氧化鈦復合納米纖維，是通過靜電紡絲與低溫水熱法結合制備的，靜電紡絲得到的納米纖維結構與低溫水熱處理得到的二氧化鈦納米結構使得復合材料具有大的比表面積，提供更多的活性點與吸附氣體分子作用，而且復合納米材料中P型半導體聚苯胺與η型半導體二氧化鈦形成大量的p-n結結構，加速氣敏材料對于氣體的響應。
【具體實施方式】
[0019]為了更好的理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。
[0020]實施例1:
[0021 ] I)將0.2g本征態聚苯胺，0.1g樟腦磺酸、0.2g聚苯乙烯溶于30mL三氯甲烷中，得到溶液A;
[0022]2)將0.15mL鈦酸丁酯溶于5mL乙醇中，得到溶液B;
[0023]3)將溶液A與溶液B攪拌混合均勻后，裝入紡絲裝置中，紡絲工作距離為1cm，開啟高壓電源，調節紡絲電壓為13kV，接收時間為20min，將紡絲液通過靜電紡絲的方法在表面有叉指型微電極的陶瓷基底上沉積復合納米纖維；
[0024]4)將步驟3)所制得的沉積有復合納米纖維的基底干燥后在130°C下水熱處理15小時，得到基于聚苯胺/ 二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器。所得氣敏傳感器對于氨氣有較好的檢測效果，在1(^111氨氣濃度下，利用公式3=(1?1-1?())/1?()*100%，1?1為通入氨氣后的電阻值，Ro為通入氨氣前的電阻值)，可算出靈敏度S = 2400%，而且響應具有良好的重復性。
[0025]實施例2:
[0026]I)將0.15g本征態聚苯胺，0.2g十二燒基苯磺酸、0.15g聚苯乙稀溶于30mL 二甲基甲酰胺中，得到溶液A;
[0027]2)將0.15mL鈦酸丁酯溶于5mL乙醇中，得到溶液B;
[0028]3)將溶液A與溶液B攪拌混合均勻后，裝入紡絲裝置中，紡絲工作距離為15cm，開啟高壓電源，調節紡絲電壓為15kV，接收時間為lOmin，將紡絲液通過靜電紡絲的方法在表面有叉指型微電極的玻璃基底上沉積復合納米纖維；
[0029]4)將步驟3)所制得的沉積有復合納米纖維的基底干燥后在110°C下水熱處理18小時，得到基于聚苯胺/ 二氧化鈦復合納米纖維的氣敏傳感器。所得氣敏傳感器對于氨氣有較好的檢測效果，在1ppm氨氣濃度下，其靈敏度S = 2500%，而且響應具有良好的重復性。
[0030]實施例3:
[0031 ] I)將0.3g本征態聚苯胺，0.3g對甲苯磺酸、0.3g聚苯乙烯溶于30mL三氯甲烷中，得到溶液A;
[0032]2)將0.3mL鈦酸丁酯溶于5mL乙醇中，得到溶液B;